ウェアラブルなオールインワン健康モニターの実現を促進する新スキンパッチ

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(New Skin Patch Brings Us Closer to Wearable, All-In-One Health Monitor)

2021/2/15 アメリカ合衆国・カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)

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・ UCSD が、首に貼り付けるだけで血圧と心拍数をモニタリングしながらグルコース、乳酸、アルコールのレベルを測定する、伸縮性のソフトなパッチ型ウェアラブルデバイスを開発。
・ 管信号や複数の生化学物質濃度の非侵襲的な同時モニタリングを初めて実現。日常生活に支障を来すことなく、1 個のパッチで複数の情報を収集できる。
・ 高血圧や糖尿病等の規則的な健康モニタリングを要する基礎疾患の保有者や、パンデミックのため診療所への訪問が制限される遠隔の患者にとって有用な技術となる。
・ また、血圧の急降下と乳酸レベルの急上昇を特徴とする敗血症の発症の検出にも利用が可能。さらに、血圧等のバイタルサイン(生命兆候)の継続的なモニタリングが必要な新生児集中治療室(NICU)を含む集中治療室の患者にも、動脈へのカテーテル挿入の代替手段を提供する。
・ 新ウェアラブルデバイスでは、切手ほどの小面積の伸縮性のポリマーシートのプラットフォームに、血圧センサーと 2 種類のケミカルセンサーを搭載。1 個のパッチに各センサーが提示する個別の身体的・化学的変化をまとめることで、身体状況のより包括的な全体像の把握が可能となる。
・ パッチの中央には、導電性インクでパッチにハンダ付けした小型超音波トランスデューサーのセットから構成される血圧センサーを配置。電圧がかかり身体に送られた超音波が動脈で跳ね返り、センサーがエコーを検出してその信号を血圧測定値に変換する。
・ ケミカルセンサーは、導電性インクでパッチにスクリーンプリントした 2 本の電極で、右側の電極はピロカルピンを放出して皮膚の発汗を促し、汗に含まれる乳酸、カフェイン、アルコールを検出する。左側の電極は、皮膚に微小な電流を通して間質液を放出させてグルコースを検出する。
・ 血圧とグルコースに加え、乳酸、アルコールまたはカフェインのいずれかの、合計 3 種類のパラメーターを 1 度に測定する。これらのパラメーターは、より正確な血圧測定を可能にし、信頼性を高めるバイオマーカーとなる。理論上全パラメーターの同時測定が可能だが、異なるセンサー設計が必要。
・ エアロバイクでの運動、糖分の多い食品やアルコール・カフェイン飲料の摂取の各タスクを多様に組み合わせて実行した同パッチの測定試験では、各測定値が商用のモニタリングデバイスによる測定値に適合した。
・ 同パッチの大きな課題の一つであるセンサーの信号間のインターフェースの排除では、血圧センサーとケミカルセンサー間のスペースを 1cm に最適化することで対処。また、血圧センサーの液体超音波ゲルを固体にすることで、ケミカルセンターとの干渉の問題を解決した。
・ 他のバイオマーカーを検出するセンサーを追加した新しいパッチを開発中。血圧センサーのさらなる小型化とワイヤレス化を目指す。
・ 本研究は、UC San Diego Center of Wearable Sensors と米国立衛生研究所(NIH)が支援した。
URL: https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/new-skin-patch-brings-us-closer-to-wearable-all-in-one-health-monitor

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature Biomedical Enginneering 掲載論文(フルテキスト)
An epidermal patch for the simultaneous monitoring of haemodynamic and metabolic biomarkers
URL: https://www.nature.com/articles/s41551-021-00685-1

Abstract

Monitoring the effects of daily activities on the physiological responses of the body calls for wearable devices that can simultaneously track metabolic and haemodynamic parameters. Here we describe a non-invasive skin-worn device for the simultaneous monitoring of blood pressure and heart rate via ultrasonic transducers and of multiple biomarkers via electrochemical sensors. We optimized the integrated device so that it provides mechanical resiliency and flexibility while conforming to curved skin surfaces, and to ensure reliable sensing of glucose in interstitial fluid and of lactate, caffeine and alcohol in sweat, without crosstalk between the individual sensors. In human volunteers, the device captured physiological effects of food intake and exercise, in particular the production of glucose after food digestion, the consumption of glucose via glycolysis, and increases in blood pressure and heart rate compensating for oxygen depletion and lactate generation. Continuous and simultaneous acoustic and electrochemical sensing via integrated wearable devices should enrich the understanding of the body’s response to daily activities, and could facilitate the early prediction of abnormal physiological changes.

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